 |
 |
|
 |
|
 |
|
 |
|
 |
|
 |
|
 |
|
|
 |
Исследование параметров полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами "комплекс-2".Часть 1.
С.В. Жуков, с.н.с., канд. техн. наук, член-корр. АТ,Н.Н. Копица, инженер-математик.
© ООО "Институт "ДИМЕНСтест"
|
|

|
|
Основными источниками повреждения стальных строительных конструкций, в частности, предназначенных для транспортирования и хранения нефте-, газо- и других экологически опасных продуктов, являются зарождающиеся дефекты и зоны концентрации напряжений, в которых наиболее интенсивно протекают неблагоприятные для сооружения процессы (развитие нарушений сплошности, коррозия, пластические деформации и др.). Традиционные методы неразрушающего контроля не позволяют осуществлять раннюю диагностику и направлены на поиск развитых дефектов, что не всегда достаточно для обеспечения надежности диагностируемых объектов. Для своевременного выявления участков металлических конструкций, наиболее предрасположенных к повреждениям, необходимо знать их фактическое напряженно-деформированное состояние. |
Общие сведения о методе испытаний.
Для исследования полей механических напряжений могут использоваться приборы, относящиеся к классу электромагнитных измерителей напряжений. Принцип их действия основан на свойстве ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений. Теоретически это явление обосновано в ряде работ . На магнитоупругом эффекте основан принцип действия магнитоупругих и магнитоанизотропных преобразователей.
Магнитоанизотропные преобразователи, с которыми работают приборы серии "Комплекс-2", используют анизотропию магнитных свойств, возникающую в ферромагнетике при нагружении внешней силой, и свободны от недостатков приборов, использующих магнитоупругие преобразователи.
Рис.1. Электромагнитный измеритель механических напряжений "Комплекс-2.05".
Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя основан на эффекте поворота вектора магнитной индукции B, создаваемой в зоне измерений первичной обмоткой с числом витков . Величина напряжения на выходе измерительной обмотки с числом витков описывается формулой ,
где -усредненное значение индукции;
- площадь,охватываемая обмоткой;
K- коэффициент пропорциональности;
- угол между плоскостью измерительной обмотки и вектором магнитной индукции B;
-величина компоненты механического напряжения;
- частота питающего напряжения.
Зависимость устанавливается для каждой марки стали экспериментально или теоретически и учитывается при обработке результатов измерений.
В предельном случае большой индукции поля (в области приближения к насыщению) пользуются следующей формулой:
,
где - начальное значение индукции;
- индукция насыщения;
K v постоянная анизотропии;
- коэффициент,определяемый ориентацией кристаллов.
Формула получена для одинакового направления векторов и . Поворот вектора можно характеризовать изменением его ортогональных составляющих.
Высокие значения погрешностей, получаемые при стандартном подходе к решению задачи, и игнорирование некоторых физических явлений долгое время являлись препятствием для внедрения электромагнитных методов на практике. Известно, что верхний слой (до 0,2 мм) металла находится в нехарактерном для конструкции напряженном состоянии (наклеп, азотирование, цементация, механические микроцарапины и пр.). До сих пор встречаются разработки, основанные на оценке напряжений именно в таком тонком слое. Например, приборы для измерения механических напряжений "РОЛЛСКАН 200" и "СТРЕССКАН 500С". Другими причинами низкой достоверности контроля механических напряжений с помощью электромагнитных полей являются магнитомеханический гистерезис и попытки получения результата по одному из параметров петли гистерезиса (только по остаточной индукции или только по коэрцитивной силе). К таким приборам относятся, например, измерители механических напряжений, использующие так называемый "эффект магнитной памяти" металла ИМНМ-1Ф, "Сканер", магнитный индикатор трещин МИТ-1 (НПО "Энергодиагностика"), а также ранее выпускавшиеся приборы типа КИФМ, ИМА.
 |
Детальный учет физической природы явления, а также того факта, что вся полезная информация содержится не в одном, а в нескольких параметрах петли гистерезиса, позволили разработать модификацию способа электромагнитного измерения напряжений, на основе которого были разработаны приборы серии "Комплекс-2". При этом потребовалось создать специальный алгоритм обработки информации, который как, оказалось на практике, нецелесообразно включать в состав комплекта измерителя (в силу его сложности и высокой стоимости). Поэтому структура новой системы электромагнитного контроля измерения напряжений включает собственно измеритель, тракт передачи информации, машинный комплекс обработки информации и ее представления в виде карт механических напряжений, направляемых потребителю информации. Приборы серии "Комплекс-2" программируются с учетом марки диагностируемой стали и толщины листа. При испытаниях получены достаточно высокие точности измерений, что иллюстрируется рис.2. Как видно из рис.2 отклонение экспериментальных точек от теоретической кривой удовлетворяет требованиям инженерной практики.
Алгоритм обработки информации, получаемой с помощью приборов "Комплекс-2", в частности, позволил решить проблему магнитомеханического гистерезиса, суть которого состоит в следующем. Любая зависимость между B и имеет точку инверсии, после которой связь между B и становится обратной, т.е. один и тот же уровень выходного сигнала может быть получен для двух различных механических напряжений. Такое явление наблюдается, например, в зоне пластического течения. А поскольку при монтаже стальных конструкций используется исходный материал, испытавший в процессе подготовки и монтажа многочисленные знакопеременные механические воздействия, в том числе и местные пластические деформации, известные измерители напряжений нередко дают ложные результаты.
Сам процесс измерений с помощью приборов "Комплекс-2" на объекте достаточно прост. В процессе работы преобразователь прибора устанавливают на материале в зоне контроля. Зона контроля представляет собой места наиболее вероятного появления дефектов (например, сварные швы) строительной конструкции, назначаемые по опыту или по результатам первой стадии ее имитационного моделирования. В зоне контроля наносят сетку, измерения проводят в узлах сетки. По результатам измерений с помощью математической обработки получают карты механических напряжений, анализируя которые определяют места концентрации напряжений: в окрестности потенциальных и развитых дефектов нарушается равномерность распределения напряжений.
Наиболее существенные для инженерной практики возможности приборов "Комплекс-2" были исследованы экспериментально. В качестве иллюстрации отдельные результаты представлены ниже.
|
|
|
|
|
 |
© ndt.ru |
 |
|
|
|